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(北京石油化工工程有限公司 西安分公司,陜西 西安 710075)

在化工裝置的生產(chǎn)和運行中，儀控系統(tǒng)及現(xiàn)場大多數(shù)儀表的電源負(fù)荷均屬于一級負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷，先進(jìn)可靠的儀表供電設(shè)計能夠保證自動控制系統(tǒng)長期穩(wěn)定的工作。本文從儀表供電設(shè)計范圍、電源容量計算、供電器材選擇及電源系統(tǒng)配線等方面介紹儀表供電系統(tǒng)的設(shè)計，供工程設(shè)計人員參考。

1 儀表供電設(shè)計范圍

根據(jù)SH/T 3082—2019《石油化工儀表供電設(shè)計規(guī)范》[1]的條文說明：“本規(guī)范不適用于火災(zāi)報警、消防、工業(yè)電視、電話及擴(kuò)音對講、安防等電信設(shè)備及系統(tǒng)的供電設(shè)計。電信設(shè)備及系統(tǒng)供電電源不能與儀表UPS電源混用或接入儀表供電系統(tǒng)”。舊版規(guī)范SH/T 3082—2003并未對儀表與電信設(shè)備用電范圍有明確的要求。因此，SH/T 3082—2019發(fā)布之前，筆者在許多項目實踐中，電信系統(tǒng)與儀控系統(tǒng)經(jīng)常共用儀表電源柜。通常電信專業(yè)將用電條件提交給儀表專業(yè)，儀表專業(yè)匯總本專業(yè)儀控系統(tǒng)用電和電信系統(tǒng)用電，再提交給電氣專業(yè)[2]，電氣專業(yè)負(fù)責(zé)UPS電源和普通交流電源設(shè)計，儀表專業(yè)負(fù)責(zé)電源分配、容量計算、電纜規(guī)格計算等內(nèi)容。SH/T 3082—2019發(fā)布之后，儀表專業(yè)和電信專業(yè)各自給電氣專業(yè)提交用電條件，在減少儀表專業(yè)與電信專業(yè)分工面的同時，也減少了電信用電可能對儀控系統(tǒng)產(chǎn)生的不利影響。特別需要注意的是： 考慮到火災(zāi)報警系統(tǒng)對保障人身財產(chǎn)安全的重要性，根據(jù)GB 50116—2013《火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定：“火災(zāi)自動報警系統(tǒng)主電源不應(yīng)設(shè)置剩余電流動作保護(hù)和過負(fù)荷保護(hù)裝置”[3]，即在有過電流或漏電流情況下，也不允許斷電，所以火災(zāi)報警系統(tǒng)一般不設(shè)漏電保護(hù)開關(guān)，并且選擇的空開額定容量較大。如果火災(zāi)報警系統(tǒng)與儀控系統(tǒng)供電回路共用儀表電源柜，在火災(zāi)自動報警系統(tǒng)供電回路出現(xiàn)故障時，則可能因為電流的波動，導(dǎo)致儀表電源柜的進(jìn)線斷路器跳閘，危及儀控系統(tǒng)的正常運行，有可能中斷工廠的正常生產(chǎn)，造成重大經(jīng)濟(jì)損失及可能的設(shè)備損壞或人身傷害事故。

對比HG/T 20509—2014《儀表供電設(shè)計規(guī)范》的條文說明：“當(dāng)自控專業(yè)不負(fù)責(zé)工業(yè)電視系統(tǒng)、安防系統(tǒng)的設(shè)計時，自控專業(yè)也就不負(fù)責(zé)工業(yè)電視系統(tǒng)、安防系統(tǒng)的供電設(shè)計”[4]，與SH/T 3082—2019的理念是一致的。

2 電源容量計算

SH/T 3082—2019規(guī)定：“交流UPS輸出配線應(yīng)采用單相220 V(AC)三線制(相線L,中線N，接地線PE)；單臺UPS的額定容量不應(yīng)超過100 kVA，儀表用電負(fù)荷超過100 kVA及以上時，宜采用多臺UPS多輸出回路供電方案”。SH/T 3082—2003要求UPS輸出電源電壓220 V(AC)及380 V(AC)都可以，以容量40 kVA為界，小于40 kVA時，采用單相輸出；大于40 kVA時，采用380 V(AC)三相輸出。筆者認(rèn)為，新規(guī)范的修正，要求交流輸出配線采用220 V(AC)，使儀表專業(yè)在考慮向各供電回路進(jìn)行電纜配線時，不用再考慮三相平衡的問題，簡化了儀表專業(yè)供配電設(shè)計，避免了因三相平衡問題考慮不周給儀控系統(tǒng)帶來的風(fēng)險。同時，筆者翻閱了第4版《石油化工自動控制設(shè)計手冊》中供電設(shè)計部分的規(guī)定： 用電容量不大于100 kVA時，UPS采用單相220 V輸出；容量大于100 kVA時，UPS可采用380 V輸出，三相間負(fù)荷不平衡度小于20%[5]。該規(guī)定與SH/T 3082—2019并非完全一致。

基于以上規(guī)定及具體項目實踐，筆者認(rèn)為在絕大多數(shù)化工項目工程設(shè)計時，所需每路UPS容量很少超過100 kVA，故UPS輸出配線采用單相220 V(AC)三線制可以滿足大多數(shù)工程應(yīng)用。而當(dāng)UPS容量大于100 kVA時，比如大型石化聯(lián)合裝置中心控制室用電，可采用220 V(AC)多臺UPS多輸出回路供電方案，也可以采用380 V(AC)輸出回路供電方案，此時可根據(jù)電源容量、用電設(shè)備數(shù)量及功耗、工程設(shè)計經(jīng)驗等選擇合適的供配電方案。

通常，在化工裝置的工程設(shè)計過程中，由儀表專業(yè)根據(jù)儀控系統(tǒng)集成商提供用電設(shè)備耗量逐一累加后，再乘以設(shè)計規(guī)范建議的備用系數(shù)得出總耗電量，然后提交電氣專業(yè)，進(jìn)行UPS設(shè)備選型?；谝陨显?，在計算儀表 UPS 容量時應(yīng)考慮負(fù)載電源裝置的余量系數(shù)和同時系數(shù)[6]。對于石油化工行業(yè)的 DCS/SIS/GDS/CCS 等控制系統(tǒng)負(fù)載，控制器電源選擇時一般留有 50% 余量，但是系統(tǒng)廠家提供的負(fù)荷是將所有系統(tǒng)電源裝置銘牌上的功耗累加，沒有考慮電源的余量系數(shù)，也未考慮一些設(shè)備的同時率。因此，為獲得較為準(zhǔn)確的用電設(shè)備功耗，設(shè)計人員應(yīng)該研究系統(tǒng)廠家提供的耗電量計算書或容量清單，核實耗電量余量的具體情況。

根據(jù)《全國安全生產(chǎn)專項整治三年行動計劃》，筆者在執(zhí)行重慶某化肥廠全廠整改項目中，需要將廠區(qū)內(nèi)6個裝置操作室/交接班室內(nèi)的儀控系統(tǒng)統(tǒng)一搬遷至新建中心控制室，需要重新設(shè)計全廠所有儀控系統(tǒng)的供配電，電源配置方案與改造前保持一致，采用單UPS加GPS雙輸出回路供電方案，設(shè)計新增1面UPS配電柜和1面GPS柜，全廠DCS/SIS/PLC考慮全部利舊。筆者通過考察各操作室儀控系統(tǒng)實際耗電量并且收集項目新建時系統(tǒng)集成商提供的耗電量清單，對比發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)集成商提供的各系統(tǒng)機(jī)柜及操作站的耗電量清單明顯高于實際運行耗電量，本文以合成裝置DCS供電為例，儀表設(shè)備功耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1所列。

表1 合成裝置儀表設(shè)備功耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

對于新建項目，一般自控專業(yè)都會根據(jù)系統(tǒng)集成商提供的銘牌功耗進(jìn)行累加，以此為依據(jù)考慮UPS容量。根據(jù)SH/T 3082—2003，儀表電源容量按儀控系統(tǒng)的額定負(fù)荷總和的1.2～1.5倍考慮，參考表1儀表設(shè)備銘牌功耗數(shù)據(jù)，考慮50%備用余量，功率因素取0.9，合成裝置UPS電源容量計算值為19 000×1.5/0.9≈31(kVA)，明顯比實際耗電量大很多。而根據(jù)SH/T 3082—2019，儀表電源容量按儀控系統(tǒng)的額定負(fù)荷總和的0.8～1.2 倍考慮，參考表1銘牌功耗數(shù)據(jù)，不考慮備用余量(即按額定負(fù)荷總和的1倍)，得出合成裝置UPS電源容量計算值為19 000×1/0.9≈21(kVA)。

筆者認(rèn)為，如果計算用電負(fù)荷時不準(zhǔn)確，備用容量過大，將會導(dǎo)致UPS長期運行在低負(fù)荷率的狀態(tài)下，既降低了使用壽命，又增加了投資[7]。同時，石化或化工儀控系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范中，要求控制系統(tǒng)運行負(fù)荷在50%左右，通常情況下不會滿負(fù)荷運行，所以對各控制系統(tǒng)耗電量有一個比較準(zhǔn)確的估計，對UPS容量的合理設(shè)計是大有益處的?？梢圆捎帽?中提供的儀表設(shè)備實際功耗來估算UPS容量，在考慮50%的備用余量及功率因素按照0.9的情況下，合成裝置UPS電源容量計算值為13 200×1.5/0.9=22(kVA)，與按銘牌功耗根據(jù)新版規(guī)范規(guī)定的備用余量系數(shù)計算出的耗電量是基本一致的。

根據(jù)以上分析并且對比新舊規(guī)范，儀表電源容量將按儀控系統(tǒng)的額定負(fù)荷總和 1.2～1.5倍調(diào)整為 0.8～1.2 倍，相較于舊版本已經(jīng)做了合理化的修正[5]。

UPS后備供電時間選擇，SH/T 3082—2019規(guī)定不小于30 min，與HG/T 20509—2014中的規(guī)定是一致的，同時SY/T 6069—2020《油氣管道儀表及自動化系統(tǒng)運行技術(shù)規(guī)范》[8]規(guī)定： 對輸氣站場，UPS后備時間不宜少于1.5 h;對輸油站場，UPS后備時間不宜少于2 h。根據(jù)筆者執(zhí)行的項目經(jīng)歷，UPS后備時間選用過30 min,60 min, 90 min,120 min。后備電池時間的選擇與項目特點、工藝路線、現(xiàn)場操作人員素質(zhì)密切相關(guān)，在滿足規(guī)范的基礎(chǔ)上，自控專業(yè)人員應(yīng)熟悉工藝路線并且與業(yè)主充分溝通，在滿足相關(guān)規(guī)范的前提下，選擇合適容量的UPS電池柜。

3 供電器材選擇及電源系統(tǒng)配線

3.1 供電器材選擇

自控專業(yè)在進(jìn)行儀表供配電設(shè)計時，需要重點關(guān)注儀表電源柜進(jìn)線斷路器和配出斷路器的選型。SH/T 3082—2019中要求低壓斷路器應(yīng)選用空氣斷路器等非熔斷式斷路器，交流單相電源應(yīng)采用雙極斷路器，并具有短路保護(hù)，過負(fù)荷保護(hù)功能并且過負(fù)荷保護(hù)具有反時限特性[5]。

儀表電源柜進(jìn)線斷路器與配出斷路器的選擇，還需要考慮在動作特性上應(yīng)有選擇性配合。SH/T 3082—2019中條文說明：“對進(jìn)線斷路器和配出斷路器相差較小的情況，可采用熱容量配合，即進(jìn)線開關(guān)額定電流可選用比配出開關(guān)大出1～2級的開關(guān)，其整定電流可相同或相近。對上下級配合，過電流依靠電流值配合，短路保護(hù)依靠時限配合。這樣，對嚴(yán)重故障，有利于及時切除，對一般過負(fù)荷，可以有較好選擇性?！?/p>

熱容量配合可以理解為： 基于一定量值的短路能量同時作用于上下級斷路器上，由于上下級斷路器存在級差，作用于下級斷路器上足以使其能量跳閘，而作用于上級斷路器上，該能量還不足以其脫扣分?jǐn)啵瑑H能使觸頭微微拆開，產(chǎn)生電弧而又限制了短路電流。當(dāng)下級斷路器脫扣分?jǐn)嗪螅霞墧嗦菲饔只謴?fù)而保持了閉合[8]。時限配合可以理解為： 基于上下級斷路器保護(hù)響應(yīng)時間設(shè)定值的不同，使在相同電流下，下級斷路器先于上級斷路器脫扣，從而保證上級斷路器的繼續(xù)導(dǎo)通，達(dá)到保護(hù)的選擇性[9]。

3.1.1 儀表電源柜進(jìn)線斷路器的選型

SH/T 3082—2019中條文說明：“儀表交流配電柜的進(jìn)線斷路器過負(fù)荷保護(hù)電流整定值，可按不大于下級全部計算電流的1.05倍考慮；短路保護(hù)采用延時動作，時限可設(shè)定為0.2～0.5 s;進(jìn)線斷路器定時限過電流脫扣器的整定值應(yīng)大于等于1.3倍配出斷路器瞬時過電流脫扣器的整定值”。

根據(jù)儀表用電負(fù)荷大小及特點，對于儀表電源柜進(jìn)線斷路器的選型，一般選擇塑殼式斷路器;對于儀表電源柜配出斷路器的選型，一般選擇微型斷路器。

筆者在執(zhí)行該項目儀表供配電設(shè)計時，根據(jù)現(xiàn)場實際情況需要對全廠上游工段合成裝置DCS，下游工段兩鈉裝置DCS及全廠SIS/GDS各送一路UPS和一路普通市電電源，根據(jù)SH/T 3082—2019對進(jìn)線斷路器要求，儀表電源柜進(jìn)線斷路器選型見表2所列。

由表2可知，UPS1支線路總負(fù)荷為21 kVA，計算得到的負(fù)荷電流為95 A，可考慮預(yù)留15%～25%的余量，因此斷路器殼架電流選擇125 A，反時限過電流脫扣器的整定電流可以選擇100 A。短路分?jǐn)囝愋涂梢愿鶕?jù)用戶用電情況綜合考慮選取。從儀表用電設(shè)備運行特性考慮，一般情況下進(jìn)線斷路器保護(hù)特性脫扣曲線選用C型[7]。

表2 儀表電源柜進(jìn)線斷路器選型

3.1.2 儀表電源柜配出斷路器的選型

根據(jù)SH/T 3082—2019中條文說明：“配出斷路器過負(fù)荷保護(hù)電流整定值，可按不大于回路計算電流的1.05 倍考慮，短路保護(hù)為瞬時動作”。筆者查閱了許多大型化工項目儀表電源柜配出斷路器的選型，配出斷路器額定電流往往是計算電流的2～3倍，微型斷路器由于無法整定，并未起到過負(fù)荷保護(hù)的作用。從儀表設(shè)備運行特性上看，該系統(tǒng)機(jī)柜、操作站、打印機(jī)及現(xiàn)場儀表等儀表設(shè)備可認(rèn)為是靜態(tài)負(fù)荷。基于以上工程實踐及理論分析，同時根據(jù)GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計規(guī)范》[10]中相關(guān)規(guī)定，可以不設(shè)過負(fù)荷保護(hù)，只需要考慮因為線路故障有可能產(chǎn)生短路，做好短路保護(hù)即可。根據(jù)該設(shè)計思路，筆者在執(zhí)行該廠供配電設(shè)計時，儀表電源柜配出斷路器選型見表3所列。

表3 儀表電源柜配出斷路器選型

由表3可知，配出斷路器屬于微型斷路器，只有線路中電流大于斷路器額定電流時，過電流保護(hù)才能起作用，與SH/T 3082—2019規(guī)定并不統(tǒng)一。從末端用電設(shè)備運行特性考慮，一般情況下，常規(guī)負(fù)載及配電線路時斷路器保護(hù)特性脫扣曲線選用C型[7]。

另外，由于給電機(jī)供電存在啟動電流的問題，例如電動閥等供電回路，建議儀表專業(yè)給電氣專業(yè)提用電條件，由電氣專業(yè)統(tǒng)一考慮供電，盡量減少對儀控系統(tǒng)的影響。如果確定由儀表專業(yè)進(jìn)行供電設(shè)計，應(yīng)單獨設(shè)置儀表電源柜，電動機(jī)及沖擊性負(fù)載線路時斷路器保護(hù)特性脫扣曲線選用D型[11]。

由于計算被保護(hù)線路末端的短路電流需要考慮系統(tǒng)阻抗、變壓器阻抗、線路阻抗等因素，計算往往比較困難，當(dāng)計算供電線路末端電路電流時，可要求電氣專業(yè)提供以上參數(shù)，并結(jié)合儀表電源柜出線回路電纜阻抗及電纜長度計算短路電流。根據(jù)SH/T 3082—2019相關(guān)規(guī)定：“當(dāng)短路保護(hù)為斷路器時，被保護(hù)線路末端的短路電流不應(yīng)小于斷路器瞬時或短延時過電流脫扣器整定電流的1.3倍”。筆者根據(jù)以下某項目的工程實踐，校驗定時限或瞬時過電流脫扣器的整定電流。

根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊》[12]4.6.4條規(guī)定，220 V低壓網(wǎng)絡(luò)短路電流計算，可化簡短路電流計算公式如式(1)所示：

(1)

式中：I″K——短路點短路電流，A；RphpS，RphpT，Rphpl——系統(tǒng)相保電阻、變壓器相保電阻、線路相保電阻，mΩ;XphpS，XphpT，Xphpl——系統(tǒng)相保電抗、變壓器相保電抗、線路相保電抗，mΩ。

低壓供電系統(tǒng)各電氣設(shè)備阻抗如圖1所示。

圖1 低壓供電系統(tǒng)各電氣設(shè)備阻抗示意

以220 V(AC) 2 kW的某PLC機(jī)柜為例，電氣專業(yè)提供上述參數(shù)：RphpS=0.02 mΩ，XphpS=0.21 mΩ，RphpT=0.6 mΩ，XphpT=3.5 mΩ，Rphpl1=158 mΩ，Xphpl1=18.7 mΩ。儀表出線柜配出斷路器選用微型斷路器，額定電流為20 A,C型曲線斷路器；儀表電源柜出線選用聚氯乙烯絕緣(3×4)mm2電力電纜，電纜長度為50 m，根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》[13]表4-25，Rphpl2=12.9 mΩ/m×50 m=645 mΩ，Xphpl2=0.2 mΩ/m×50 m=10 mΩ。根據(jù)式(1)計算可得：I″K=275 A。

根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊》[12]表11.3-4，微型斷路器C型脫扣特性，瞬時脫扣范圍為5～10倍額定電流。瞬時過電流脫扣器的整定電流滿足SH/T 3082—2019的要求，當(dāng)計算結(jié)果不滿足要求時，應(yīng)適當(dāng)增大儀表電源柜出線電纜截面，并重新計算。

3.2 電源系統(tǒng)配線

根據(jù)SH/T 3082—2019規(guī)定： 電源線的長期允許載流量，不應(yīng)小于線路上游斷路器的額定電流或斷路器延時脫扣器整定電流的1.25倍。當(dāng)儀表電源電纜的線芯截面積過小時，不能滿足電纜溫升的要求，容易導(dǎo)致電纜發(fā)熱損壞，且過小的線芯截面積容易導(dǎo)致儀表電源電纜的電壓降過大，不能滿足儀表用電設(shè)備對輸入電壓的要求。當(dāng)儀表電源電纜的線芯截面積過大時，會導(dǎo)致儀表電源電纜的外徑過大，對儀表電源電纜的敷設(shè)和安裝不利，容易造成材料的浪費和成本的提高[14]。

根據(jù)筆者執(zhí)行項目的經(jīng)驗，無論是直流供電還是交流供電，由于儀表設(shè)備功耗不高，電源電纜允許載流量一般情況下都能滿足。對儀表設(shè)備的供電往往更關(guān)注配電線路上的電壓降不應(yīng)使送到用電設(shè)備的供電電壓小于其最低工作電壓。以此為出發(fā)點，以下分別討論24 V直流供電和220 V交流供電兩種情況。

3.2.1 24 V直流供電線路壓降計算

24 V直流供電線路工作電阻及電阻率計算[5]，如式(2)～(3)所示。

Rt=2ρtCjL直/A×106

(2)

ρt=ρ20[1+α(t-20)]

(3)

式中：Rt——線路工作電阻，Ω；L直——線路距離，m；A——導(dǎo)線截面積，mm2；Cj——絞入系數(shù)，單股導(dǎo)線為1，多股導(dǎo)線為1.02；ρt——導(dǎo)線溫度為t(℃)時的電阻率，Ω·m；ρ20——導(dǎo)線溫度為20 ℃時的電阻率，銅線芯(包括電線、電纜、母線)為1.72×10-8Ω·m；α——電阻溫度系數(shù)，取0.004；t——導(dǎo)線實際工作溫度，取值75 ℃。

綜上，式(2)可簡化為Rt=4.28×L直/A×10-2。

1)直流供電線路允許壓降，根據(jù)電源輸出電壓及用電儀表(或系統(tǒng))最低工作電壓確定，如式(4)所示：

ΔU=U0-UW

(4)

式中： ΔU——允許線路壓降，V;U0——直流電源輸出電壓，V;UW——用電儀表最低工作電壓，V。

2)直流供電儀表工作電流的確定，如式(5)所示：

IW=Wmax/UW

(5)

式中：IW——線路最大工作電流，A；Wmax——儀表最大功耗，W。

3)允許線路電阻計算如式(6)所示：

R=ΔU/IW

(6)

式中：R——允許線路電阻，Ω。

綜上，電纜的供電距離和電纜尺寸的計算如下：

經(jīng)取整后，可計算已知電纜的供電距離：

考慮電纜的機(jī)械強(qiáng)度，一般室內(nèi)供電電纜截面不小于1.5 mm2，室外供電電纜截面不小于2.5 mm2。

以直流24 V，4 W低功耗電磁閥為例，電磁閥壓降幅度要求不大于10%，即最低工作電壓按21.6 V考慮，如果選用截面積為2.5 mm2的線徑電纜，根據(jù)以上計算可得最大敷設(shè)距離為L直≤648 m。

3.2.2 220 V交流供電線路壓降計算

根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊》[12]9.4.2條中電壓降計算式： 接相電壓的單相負(fù)荷線路如式(7)所示：

(7)

式中： Δu%——線路電壓損失百分?jǐn)?shù)，%；Unph——標(biāo)稱相電壓，kV；R″，X″——三相線路單位長度的電阻和電抗，Ω/km；tanφ——功率因數(shù)角正切值；P——有功負(fù)荷，kW；L交——線路長度，km；

以Unph=0.22 kV,P=2 kW儀表設(shè)備為例，cosφ=0.8(即tanφ=0.75)，如果選用聚氯乙烯絕緣(3×4)mm2電力電纜，根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊》表9.4-21[12]，即R″=4.988 Ω/km，X″=0.093 Ω/km。

一般情況下，儀表的交流電源電壓降及線路電壓降，不超過儀表設(shè)備額定電壓值的5%，根據(jù)以上計算可得最大敷設(shè)距離為L交≤120 m。

4 結(jié)束語

綜上所述，通過對SH/T 3082—2019與HG/T 20509—2014在應(yīng)用過程中的學(xué)習(xí)和體會，筆者認(rèn)為2個規(guī)范大同小異，為了方便工程應(yīng)用及統(tǒng)一，未來可考慮2個規(guī)范合并；同時，為了較為準(zhǔn)確地估算儀表設(shè)備的功耗，自控設(shè)計人員應(yīng)加強(qiáng)與儀表設(shè)備廠家溝通學(xué)習(xí)，不斷加深對儀控系統(tǒng)及現(xiàn)場儀表設(shè)備功耗的認(rèn)識；最后，由于在工程設(shè)計中，儀表供配電本質(zhì)上屬于電氣供配電的一部分，自控設(shè)計人員應(yīng)加強(qiáng)與電氣設(shè)計人員的溝通，并且注重自身電氣知識及經(jīng)驗的積累。